第 1章 数控机床基本知识
1.1 数控机床的产生与发展
1.2 数控机床的组成结构及工作原理
1.3 数控机床的分类
1.1 数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，
各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，
普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。
一种新型的生产设备 —— 数控机床就应运而生了 。
1.1.1 数控机床的产生帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（ Servo
Mechanism Laboratory of the
Massachusetts Institute of Technology）合作，于 1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。 1959年，美国克耐 ·杜列克公司（ Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（ Machining Center） 。
1.1.2 数控机床的发展简况第 1代数控机床,1952年～ 1959年采用电子管元件构成的专用数控装置
（ NC）。
第 2代数控机床：从 1959年开始采用晶体管电路的 NC系统。
第 3代数控机床：从 1965年开始采用小、中规模集成电路的 NC系统。
第 4代数控机床：从 1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（ CNC）。
第 5代数控机床：从 1974年开始采用微型计算机控制的系统（ MNC）。
1．计算机直接数控系统所谓计算机直接数控（ Direct
Numerical Control,DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，
编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。
2．柔性制造系统柔性制造系统（ Flexible
Manufacturing System,FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。
3．计算机集成制造系统计算机集成制造系统（ Computer-
Integrated Manufacturing System，
CIMS），是指用最先进的计算机技术，
控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。
1.1.3 我国数控机床发展概况
1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床。 1965年开始研制晶体管数控系统，直到 20
世纪 60年代末至 70年代初成功。从 20世纪 80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本 FANUC
公司引进 FANUC3,FANUC5,FANUC6、
FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国 GE公司的 MTC-1数控系统等。
1.1.4 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。
数控系统都采用了 16位和 32位微处理器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，
内存容量扩大到 1MB以上，机床分辨率可达 0.1?m，高速进给可达 100m/min，控制轴数可达 16个。
1.2 数控机床的组成结构及工作原理
1.2.1 数控机床的组成
1．控制介质数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。
2．数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置 4大部分组成 。
3．伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。
伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为 0.001mm/脉冲。
4．辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。
5．机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。
1.2.2 数控机床的关键结构部件
1．伺服系统驱动电机
（ 1）步进电动机步进电动机通常用于开环伺服系统机床。
（ 2）直流伺服电动机
① 小惯量直流电动机
② 宽调速直流电动机
③ 无刷直流电动机
（ 3）交流伺服电动机近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法等的发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更能适应数控机床伺服系统的要求。交流速度控制系统正逐步取代直流速度控制系统。
2．位置检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控制驱动元件正确运转。
（ 1）感应同步器感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式的不同可分为直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量。
感应同步器的特点是：精度高，工作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于批量生产。
（ 2）光栅光栅就是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，
条纹之间的距离成为栅距。
光栅测量装置是一种非接触式测量，
利用光路减少了机械误差，具有精度高，
响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。
（ 3）磁栅磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成。
磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，
检测精度高（能达到每米 ± 3?m），安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。一般使用寿命可达到 5年，涂上保护膜后寿命则可进一步延长。
（ 4）旋转变压器旋转变压器是一种角位移检测元件，
由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。
数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、体积小、不用维修以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。
（ 5）脉冲编码器脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器。
（ 6）测速发电机测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电动机。
3,进给运动传动部件滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。
具有如下优点。
（ 1）传动效率高。
（ 2）摩擦力小。
（ 3）使用寿命长。
（ 4）经预紧后可以消除轴向间隙，
提高系统的刚度。
（ 5）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。
4,CRT显示及其接口
5,数控机床通信 RS-232
接口
1.2.3 数控机床的工作原理数控系统的主要任务之一就是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，通常这个过程就称为
“插补”。
1,逐点比较法直线插补
（ 1）直线插补计算原理
① 偏差计算公式定义直线插补的偏差判别式如下：
Fm=ymxe?xmye
② 终点判断的方法一种方法是设置 Σx,Σy两个减法计数器。
另一种方法是设置一个终点计数器 。
第三种方法是选终点坐标值较大的坐标作为计数坐标。
③ 插补计算过程偏差判断坐标进给偏差计算终点判别
2．逐点比较法圆弧插补
（ 1）圆弧插补计算原理
① 偏差计算公式定义圆弧偏差判别式如下：
Fm=Rm2?R2= xm2+ym2?R2
新加工点 m+1点的偏差为
Fm?2 xm+1
新加工点的偏差值为
Fm+2ym+1
② 终点判别方法
③ 插补计算过程
1.3 数控机床的分类
1.3.1 按控制系统的特点分类
1．点位控制数控机床这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。
2,直线控制数控机床这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。
3．轮廓控制数控机床属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。
1.3.2 按进给伺服系统的类型分类
1．开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。
2．闭环进给伺服系统数控机床闭环进给控制系统带有位置检测元件，
随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。
3．半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。
1.3.3 按工艺用途分类
1．金属切削类数控机床金属切削类数控机床包括数控车床、
数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。
2．金属成型类数控机床金属成型类数控机床包括数控折弯机、
数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。
3．数控特种加工机床数控特种加工机床如数控线（电极）
切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。
4．其他类型的数控机床其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等。
1.3.4 按所用数控装置的构成方式分类
1．硬线数控系统
2．软线数控系统